毕业论文：高强钢焊接性能分析与优化设计

高强钢焊接性能分析与优化设计目录第一章概述111新一代低合金高强钢的发展概况1111我国低合金高强钢的发展现状及面临的挑战3112国外新一代低合金高强钢的发展及使用情况412新一代低合金高强钢的主要特点5121新一代低合金高强钢的冶金特点5122新一代低合金高强钢的强化途径613新一代低合金高强钢对焊接材料的要求7131新一代低合金高强钢的焊接性7132新一代低合金高强钢对焊接材料的要求814本课题的研究背景及意义915本课题预期达到的目的10第二章WELDOX960高强钢的生产工艺及性能1121WELDOX960高强钢的生产工艺11211WELDOX960高强钢的轧制工艺12212WELDOX960高强钢的淬火和退火工艺1222WELDOX960高强钢的机械性能15221WELDOX960高强钢的冶金特点15222WELDOX960高强钢的机械性能1723WELDOX960高强钢的强化机理17231晶界强化17232应变强化18233固溶强化19234沉淀强化19235马氏体相变强化2024韧化机理20241金属材料的净化21242晶粒的细化21243显微组织的优化2125本章小节22第三章WELDOX960高强钢焊接性研究2331WELDOX960高强钢焊接性理论分析23311碳当量法24312预热温度TP的计算25313热影响区最高硬度HVMAX与T8/5的关系26314焊接工艺参数曲线27315焊接材料的选择30316试验设备及仪器3132焊接性试验的目的及内容3133WELDOX960高强钢抗裂性试验结果及分析32331斜Y型坡口焊接裂纹试验32332热影响区最高硬度试验35333搭接接头焊接裂纹试验3834WELDOX960高强钢力学性能试验及结果分析41341焊接接头抗拉强度试验41342焊接接头微观组织分析45343焊接接头弯曲试验46344焊接接头冲击试验5035本章小结55第一章概述11新一代低合金高强钢的发展概况随着机械工业生产迅猛发展，在焊接结构日益大型化、轻量化的现代工程机械及冶金矿山机械生产中，为提高机械设备的使用性能，以最大限度地满足各种工程建设的需要，钢材不仅要有良好的综合力学性能，而且要有良好的加工工艺性能（比如焊接性），对于特殊条件下使用的钢种，更要求其具有相应的特殊性能，比如耐高温，耐腐蚀，耐冲击等。因此原来的碳素钢已经不能满足需要，必将有大量的低合金高强度钢被投入使用。低合金高强度钢是指低合金钢中包括C、SI、MN在内的主要添加元素的含量不超过5，屈服强度大于600MPA的钢种，是在碳素钢的基础上通过调整碳及合金元素的含量，并辅助一定的热处理工艺实现的。低合金高强钢的主要特点是含碳量低，可焊性好（含碳量一般低于045，冷裂敏感指数小于03），晶粒细化，屈服强度高，普遍采用NB、V、TI等合金元素进行强韧化。大多采用先进的冶炼工艺和形变热处理工艺进行生产15。按照低合金高强钢（简称HSLA钢）的屈服强度可以将其大致分为三个等级A级S290490MPA热轧、控轧、正火钢B级S490980MPA低碳调质钢C级S8801176MPA中碳调质钢低合金高强钢的发展经历了几个极为重要的时期。20世纪初的低合金高强钢主要用于结构和建筑方面，而且主要是根据屈服强度S进行设计，很少注意钢材的韧性、可成形性和可焊接性；50年代开始大力开发细晶粒化的新材料；70年代以控制轧制技术和钢的微合金化冶金为基础，形成了“现代低合金高强度钢”的新概念；80年代初以来，借助于工艺技术方面的成就开发了适于广泛工业领域和专门领域的品种。在钢的化学成分工艺组织性能的关系中，第一次强调了钢的组织的主导地位，表明低合金高强钢的基础研究已趋于成熟。随着低合金高强钢的不断发展，在高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等方面满足了焊接结构的要求，并在桥梁、锅炉及压力容器、汽车、舰船、石油管线等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢主要是通过调整钢中碳元素和合金元素的质量分数和配以适当的热处理来实现的，当然碳元素和合金元素的增加也会给钢的焊接性带来不利的影响。在低合金高强钢中，随着强度级别的提高，碳元素及合金元素质量分数的增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，不仅会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏，而且还会给国家财产和人民生命造成重大损失。为了不断改善低合金结构钢的焊接性，国内从80年代就开始研制并生产焊接性良好的微合金控轧钢和新一代超细晶粒钢，这些新钢种的出现必然会给钢的焊接性带来了重大的变革6。工业的不断发展对钢材焊接接头的性能要求越来越高，比如承载强度大，塑性韧性好，抗疲劳，抗裂纹等，因此钢材的发展趋向也在逐渐变化。在充分考虑经济因素和环境因素的前提下，对钢材的洁净度、均匀性、强度等方面提出了更高的要求。稳定的冶炼凝固技术和超细晶粒组织控制等生产工艺越来越重要，要改善钢的使用性能，使钢的强度、服役能力有明显提高，且易回收利用。同时由于绝大多数产品和构件的设计都是通过焊接实现的，钢材的发展对焊接工艺、焊接材料、结构设计等方面提出了挑战，如何提高接头的强度，如何避免裂纹的产生以及如何提高接头的疲劳极限等，由此将引发出一系列科研课题如何通过化学冶金过程使钢材的纯净度极限化；如何改进技术措施使钢板的加工过程经济化和钢板综合性能的完美化等。111我国低合金高强钢的发展现状及面临的挑战在六、七十年代，我国高强度钢的生产几乎处于空白状态，但在国外，其发展和应用已很广泛，而且还有不断增长的趋势。我国在这一领域起步很晚，从7080年代我国控制轧制的基础研究开始进行，在低合金高强钢合金设计中，人们已不再采用以提高钢中碳元素的含量、牺牲塑性来得到更高强度的传统设计方案，新的合金设计是向钢中添加CR、NI、V、TI、NB、B等少量合金元素，从而提高钢的强度、改善焊接性和耐磨性等力学性能。到目前为止许多低合金高强钢的生产已开始采用此方法，并将成为厚钢板生产的主要方向。对这类钢配套使用的焊接材料的研制成为当前亟待解决的问题之一。由于新一代钢铁材料的晶粒达到超细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等问题。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针对400MPA级和800MPA级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决。但是，随着低合金高强钢的广泛应用，尤其是低合金高强钢的焊接，给焊接工作者带来很多困难。为了提高钢材的强度，需要高的含碳量和合金含量，但是随之而来的问题是强度越高，韧性越低，焊接性也越差。国内的研究人员针对该难题做了大量工作，并且也取得了一定的成果。目前国内投入使用的低合金高强钢的强度已经达到600MPA6。发展低合金高强钢是实现我国钢铁工业结构调整的重要部分，也是我国从钢铁大国转变为钢铁强国的关键措施，因此有必要研制和开发既适合焊接又便于热处理的低合金高强钢，以适应不同结构对钢材的需求。我国“新一代低合金高强钢的基础研究”项目已经启动，目标是提高钢材的纯净度、均匀性、超细化组织（力争晶粒尺寸小于1M），使合金钢的强度、韧性比现有钢种提高一倍。此课题的研究将为今后新一代低合金高强钢在我国的深入研究、推广和使用做出一些基础性探讨工作。112国外新一代低合金高强钢的发展及使用情况国外对低合金高强钢的研究和使用己经很多年了，尤其是超高强结构。最近几十年来，国外特别注重通过冶金的方法从根本上解决钢的焊接性问题，通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产出了若干种强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器用钢等，为焊接用合金结构钢的发展做出了新的贡献。日本首先于1997年投资6000美元启动了“STX21超级钢铁材料”项目，通过超细化和微合金化使钢铁材料的寿命和性能提高一倍，平均晶粒尺寸从10M降到077M6，使普通CMN钢的抗拉强度从405MPA提高到800MPA。瑞典的SSABOXLOSUND公司从90年代开始研制高强钢，到目前为止，已经生产出全世界屈服强度最高的结构钢板WELDOX1100。WELDOX960属于低合金高强结构钢，是SSABOXELOSUND公司WELDOX系列产品，该钢主要是通过调整钢中碳及合金元素的质量分数并配以适当的热处理来实现强韧性的。作为新一代钢种,WELDOX960高强钢以其优良的性能，如高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等满足了焊接结构多方面的要求，并在舰船、工程机械、石油管线、锅炉及压力容器、桥梁、汽车、火车、发电设备等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢随着性能的不断改善，在许多结构方面的应用已占相当大的比例，特别是海洋用钢、建筑用钢等方面。近几年国外在不同结构上使用低合金高强度钢的比例列于表11中2。表11低合金高强钢在不同结构中所占的比例（）TAB11PERCENTOFHSLAINDIFFERENTFIELDS项目欧洲北美日本结构用型钢302010船舶用型钢15302010钢板钢2015100钢筋100510建筑用钢958070海洋用钢板903070海洋用型钢70201012新一代低合金高强钢的主要特点新一代低合金高强钢的特点是超细晶粒、超洁净度、高均匀性，其强度和寿命比原同类钢种提高一倍。超细晶粒是指钢材晶粒尺寸达到0110M，超洁净度是指钢中S、P、O、N和H等杂质元素的含量降低到0005以下；高均匀性是指钢材的成分、组织和性能的高度均匀，并强调了组织均匀的主导地位3。新一代低合金高强钢主要通过冶金处理和各种强化途径来实现其强韧性。121新一代低合金高强钢的冶金特点1洁净化钢材的洁净化具有两个含义，一是最大限度地去除钢中S、P、O、N、H（有时包括C）等杂质元素；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。钢的洁净化能够显著提高钢材的强韧性和焊接接头的抗裂性，使钢材的焊接性得到明显提高，当然要求焊缝也必须洁净化。目前大工业生产中钢水的洁净度从普通钢的WSPONH250106降低到经济洁净钢的WSPONH120106。国外一些先进钢厂对S、P、O、H、N的总量已控制在50103以下，达到超洁净钢的水平，并且有进一步降低的趋势。2细晶化新一代低合金高强钢的细晶强化是采用多元微合金化和控轧控冷技术较大幅度地细化晶粒来提高钢的强韧性。如70年代生产的性能优良控轧钢CR钢CONTROLLEDROLLING），80年代通过对轧制后立即加速冷却所生产的TMCP钢（THERMALMECHANICALCONTROLPROCESS）。其基本思想是根据轧制方法的不同，向钢中加入微量的TI、MO、V、B、RE等合金元素中的一种或几种，阻止高温奥氏体的长大，控制奥氏体的再结晶温度，增加铁素体的形核率，并通过控轧控冷细化晶粒，从而达到细晶强化的目的。122新一代低合金高强钢的强化途径实现新一代低合金高强钢的强化主要有两条途径热处理强化和合金强化。1热处理强化热处理是提高钢材强韧化最有效和最经济的方法之一。所谓热处理强化是将钢板加热至奥氏体化温度，然后控制冷却速度得到晶粒细小，强度和韧性比较好的组织。因为热处理可以细化奥氏体晶粒，使晶界增加，抗塑变能力提高，从而提高钢材的强度。另外，通过热处理控制组织及其形态也可以达到强化的目的，比如针状铁素体、低碳马氏体和粒状贝氏体等。2合金强化合金强化是新一代低合金高强钢的另一强化途径。钢中加入ST、MN、CR等合金元素，除了可以固溶强化基体外，还可使CCT曲线向右移动，相同冷速下可获得更加细小的珠光体组织，以提高其强度。钢中加入强碳化物形成元素NB、V，当它们固溶到奥氏体中去时，可使CCT曲线向右移动，起到延缓珠光体开始转变的作用。当形成第二相颗粒时，则起到析出强化作用。另外，无论是固溶态还是析出态的NB、V，都可延缓奥氏体再结晶，起到细化奥氏体晶粒，提高塑韧性的作用。新一代低合金高强钢的发展趋势是开发既具有良好焊接性能，又适合于热处理的微合金钢，此种钢在合金元素强化的基础上，再经热处理可得到更高强度，而塑性韧性不降低。13新一代低合金高强钢对焊接材料的要求钢铁冶金技术的发展使低合金高强钢实现了洁净化、细晶化和力学性能上的强韧化，这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现洁净化和细晶化，否则焊缝的性能将不能与新钢种匹配，从而成为焊接接头的薄弱部位。因此，使焊接材料不断适应钢种的发展要求是亟待解决的重要课题。131新一代低合金高强钢的焊接性由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接中面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针对400MPA级和800MPA级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决6。随着冶金技术的提高，新钢种的强度级别和焊接性能也在不断提高，这就需要研发高质量的焊接材料与之相匹配，实现焊缝的强韧化。对于新一代低合金高强钢的焊接技术，主要应向高效和自动化方向发展，在不提高合金元素的条件下，强度、寿命均提高一倍，这不仅是钢铁材料的重大变革，而且也对焊接技术和焊接材料的发展提出了新的挑战。随着强度级别的提高，板厚的增大，钢材焊接的冷裂纹倾向增大。焊接热影响区的软化和脆化往往是造成断裂，诱发灾难性事故的根源。因此，如何避免热影响区的软化和脆化，保证该区域的强度和韧性是确保安全运行的关键问题之一。132新一代低合金高强钢对焊接材料的要求基于新一代低合金高强钢自身的特点，对焊接材料也提出了相应的要求。1焊缝金属的洁净化焊缝金属的洁净化是与钢板洁净化的含义相对应的，焊缝金属的洁净化同样意味着焊缝金属中的S、P、N、H、O元素的含量尽可能低，而且还要控制焊缝中夹杂物的数量、种类、形态、尺寸及分布。这样不仅可以显著提高焊缝金属的冲击韧度，而且还可以降低焊缝金属的裂纹倾向。实现焊缝金属洁净化的主要途径有A对杂质含量进行严格的控制，通过冶炼技术实现焊接原辅材料的洁净化。B优化配方及工艺参数，利用焊接冶金反应进行脱氧、脱硫、脱磷、脱氮和除氢。C通过焊缝的微合金化、洁净化和使焊缝中出现大量的针状铁素体，达到显著提高焊缝金属的强韧性和抗裂纹扩展能力的目的。2焊缝金属的强韧化焊缝金属的强韧化主要是通过合金化控制焊缝的组织实现的。对400MPA级的调质钢，只要通过调整焊缝组织使其获得细小的针状铁素体即可获得理想的强韧性，而对于800MPA级的高强钢，要实现焊缝金属与母材的等匹配较为困难。因为随着强度级别的提高，碳当量增大，焊缝的冷裂倾向增大，因此要实现焊缝的强韧化，避免冷裂纹，需开发与母材性能相匹配的焊接材料，但国内目前在这方面尚无成熟的经验。14本课题的研究背景及意义在现代科技高度发展的时代，强大的军事装备是一个国家独立富强的首要保证，而军用车载桥梁作为应急工程结构，是评价一个国家军事装备不可忽视的重要指标之一。所谓应急工程结构是指在紧急情况下以保证强度和稳定性为主，使用期限较短、便于拆换、能快速建成的临时工程结构。应急钢桥包括固定式桥拆装式钢桥、浮桥舟桥和冲击桥架桥坦克等军用桥梁系列,也称军用桥梁族，主要用于部队和车辆强渡江河、穿越峡谷、跨过沟壑等。与普通桥梁相比，军用车载桥梁除了技术要求外同时还要满足一定的战术指标要求，可以说,军用车载桥梁是桥梁结构在军事领域中的延伸，除与一般桥梁有其共性外,还具有快速性、机动性和多用性等特点。特殊的使用场合和严酷的服役条件要求军用车载桥梁不仅强度高，耐冲击，保证车辆可以迅速安全地通过天然峡谷、反坦克壕和天然雷区，而且必须尽量减少自身的重量，便于运输和快速安装。这就对钢桥制造过程中金属材料、制造技术和焊接工艺提出了挑战。基于军用车载桥梁服役条件的特殊性和严酷性，对钢材的强度提出了挑战，要求所选钢材强度级别高，在不增加钢桥自身重量的前提下具有足够高的强度，可以承担汽车、坦克的重量；其次钢材要具有优异的加工工艺性能，尤其是焊接性，确保接头具有与母材同样的力学性能，主要是塑性、低温冲击韧性和抗疲劳特性。在我国随着冶金技术的提高，新钢种的性能也不断提高，但是由于缺乏与之相匹配的高质量的焊接材料，难以实现焊缝的强韧化。同时由于我国大多数新钢种主要是靠添加合金元素来提高钢材的强度的，众所周知，大量的合金元素可以提高钢材的强度，但是也影响了钢材的焊接性，随着合金元素含量的增加，焊接裂纹倾向增大，焊接工艺复杂，难以向焊接的高效化和自动化方向发展。而目前国内应用比较成熟的低合金高强钢强度级别主要是600MPA，难以满足军用车载桥梁的要求，因此需要引进新的钢种。WELDOX960高强钢是由瑞典SSAB公司的子公司OXELOSUND公司研制生产的低合金高强度钢，主要特点是含碳量低，合金元素含量低，经调质处理后（淬火回火）屈服强度高达960MPA以上，并且具有好的冷弯性能、优良的焊接性和低温冲击韧性（在40冲击功为27J），综合性能优异，比较适合于在严酷条件下服役。基于WELDOX960高强钢优异的焊接性能和机械性能，山西省绛县五四零九厂计划使用该钢种开发新产品，用于军用车载桥梁的制造。本研究是与五四零九厂合作开展WELDOX960低合金高强钢焊接性的研究，主要参照金属焊接国家标准对WELDOX960高强钢接头的力学性能和抗裂性进行试验，并通过对接头的性能和微观组织进行分析研究其强化、韧化机理，合金元素对其热处理和焊接性能的影响以及钢材的焊接适应性，为合理地开发和使用低合金高强钢提供技术依据。15本课题预期达到的目的1了解低合金高强钢的国内外发展和使用情况。2了解WELDOX960高强钢的强化途径和工艺措施。3掌握WELDOX960高强钢的综合机械性能和焊接性能。4保证采用WELDOX960高强钢开发的产品的质量和使用性能。5加快国产新一代钢种及匹配焊接材料的进一步开发。第二章WELDOX960高强钢的生产工艺及性能科学技术的不断发展对工程结构和机械零件所使用的钢材的性能提出了越来越高的要求，不仅要具有高的强度，而且要兼有良好的塑性、韧性和优异的焊接工艺性能。WELDOX960高强钢属于OXELOSUND公司生产的WELDOX系列调质结构用钢，屈服强度大于960MPA，具有优异的综合机械性能，可望在我国的焊接结构生产中得到广泛使用。21WELDOX960高强钢的生产工艺占有瑞典钢铁产量一半的SSAB公司是一家比较典型的长流程工艺生产企业，主要研制、加工和销售中厚钢板。该公司拥有全世界最先进的连续轧制淬火四辊轧机，生产出的钢板尺寸精度高，综合性能好，具有高硬度、高强度、高韧性，以及表面高平整度和优良的加工性能，在世界各个领域得到了广泛的应用。本课题采用的钢板WELDOX960高强钢是由瑞典SSAB公司的子公司OXELOSUND公司研制生产的结构钢板，主要特点是含碳量低，合金元素含量低，强度高。钢板经过调质淬火回火处理后组织为低碳回火马氏体，晶粒细小，平均晶粒尺寸为5M，综合性能优异，在高强度的焊接结构中如车辆、铁路、桥梁、起重装置和伐木工具等领域中得到广泛应用。WELDOX960高强钢主要是通过精炼降低杂质元素S、P含量，精确控制合金元素含量，加上形变热处理后调质处理QT等手段生产出来的。形变热处理后调质处理是提高材料强度的最有效方法。211WELDOX960高强钢的轧制工艺SSAB在WELDOX960板坯的冶炼和铸造中采用传统的冶金工艺和现代连铸技术相结合，经过冶炼炉外精炼连铸控轧、控冷的生产工艺，生产出的钢板成分精确，残留元素含量非常低，铁水经过预处理后硫的含量可以降至0015左右，炉外精炼进一步使硫含量降至0003。另外钢坯在进入连轧机组的粗轧机之前，都要经过高压水除鳞，连轧机各个辊道全部采用滚动式轧制淬火辊道代替原来的静态轧制淬火辊道，轧制采用高刚度、无扭、无张力（或微张力）连轧，钢板裁剪采用激光微机控制自动剪切，因此产品表面质量高，尺寸精确，这些都为产品良好的综合性能奠定了基础。WELDOX960高强钢优异的综合性能除了先进的冶炼技术和精密的轧辊机外，轧制淬火设备是保证产品质量的关键因素。该钢在轧制淬火过程中，为了保证及时淬火，尽量减小加热炉和淬火装置之间的温差，奥氏体化加热炉和淬火装置紧紧相邻。轧制时先将板坯均匀加热到1200，经四辊轧机轧制后进行空冷。为了保证钢板的轧制精度（误差不超过035MM），轧辊加工车间采用全封闭式恒温均温操作，以保证轧辊不至于因环境温度的微小差异而产生尺寸偏差，同时严格控制气氛，防止钢板被氧化，影响钢板的表面质量和综合性能。适宜的轧制温度保证了尺寸的精确，为形成后续冷却需要的金属组织结构奠定了基础。212WELDOX960高强钢的淬火和退火工艺钢板轧制完成后首先进行空冷，然后送到淬火段。板坯在奥氏体化加热炉中板坯被加热至900，从加热炉出来后立刻进入连续轧制淬火装置。与传统的静态淬火装置有所不同，连续轧制淬火装置是指在整个淬火过程中钢板一直处于运动状态。静态淬火装置和连续轧制淬火辊道分别如图21所示8图21静态轧制淬火装置和连续轧制淬火装置的区别FIG21DIFFERENCEBETWEENSTATICQUENCHINGPLANTANDCONTINUOUSROLLERQUENCHINGPLANTAB与静态淬火工艺（图A）相比，在连续轧制淬火工艺中图B，钢板在运动状态下进行均匀连续的淬火，淬火温度均匀，使钢板在轧制中由于变形不均匀产生的内应力大大减小，板坯成型美观，板坯的表面质量好，同时也提高了板坯的加工性能。而对于传统的静态淬火工艺，由于板坯在淬火过程中被固定在钢锭之间，该部分不能正常淬火，生产出钢板表面不平整，淬火不均匀，而且内部存在残余应力等缺陷。钢板从加热炉出来后先进入高压喷水连续冷却辊道，辊道的温度极低，板坯可以迅速从900降到较低的温度，从而保证了轧制质量。然后钢板进入长的低压喷水连续冷却辊道继续轧制淬火直至室温。钢板在整个轧制淬火过程中都处于运动状态。独特的轧制淬火工艺，使WELDOX960高强钢的强度大幅度提高，耐磨性大大增加，因此可以适当降低钢材中合金元素的含量，尤其是C、MN、CR元素的含量，从而降低碳当量，改善钢材的焊接性，可以达到在不增加合金元素的情况下改善钢材的性能，即所谓的以水实现钢材合金化的目的。WELDOX960高强钢淬火后立即进行回火得到强韧性较好的回火索氏体和少量的低碳马氏体组织，具有高强度、高硬度与较好的塑性和缺口冲击韧性，加工性能和焊接性能良好。WELDOX960高强钢的热处理工艺如图22所示8。图22WELDOX960高强钢的热处理工艺示意图FIG22SCHEMATICDIAGRAMOFWELDOX960HEATTREATMENTPROCESSING22WELDOX960高强钢的机械性能WELDOX960高强钢由于含碳量低，合金元素含量低，化学成分精确；残留元素含量非常低，通过冶金技术最大限度地控制钢中S、P、O、N、H等杂质元素的含量和钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布，因此具有良好的综合机械性能。221WELDOX960高强钢的冶金特点回火与传统的合金结构钢相比，WELDOX960高强钢碳含量低，合金元素含量低，C、S、P等杂质元素得到有效控制，因此焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。低夹杂，均匀是钢材良好成型的先决条件。WELDOX960高强钢的化学成分见表21。表21WELDOX960高强钢的化学成分（WT）TAB21CHEMICALCOMPONENTOFWELDOX960（WT）元素CSIMNSPCR标准值0170221200040005045元素MOCUTINIBCE标准值050100002056064）7CEQ516VMOCRNIUN（21）均匀的合金成分和优良的加工性能相结合，使得WELDOX960高强钢具有高韧性其韧性几乎相当于普通钢板的2倍，优异的弯曲性能、冲击韧性和抗裂纹性能。WELDOX960高强钢调质后具有良好的综合机械性能，除了冶炼轧制技术外，主要还与其合金元素和调质处理后的组织有关。在控制合金元素方面OXELOSUND公司主要采取的措施如下1控制钢中S元素的含量由于钢中的S元素与MN元素易结合形成MNS，而MNS比较软，在轧制过程中易形成带状组织，这大大地破坏了钢材的韧性和弯曲性能。所以在WELDOX960钢材中加入一定量的CR和CE进行脱S处理。因为S更容易和CR、CE结合形成CRS和CES，然后随钢渣一起排出，从而大大降低了S的含量。而残余的CRS和CES由于比较硬，在轧制过程中保持细球状，这种形状相对于带状组织而言，对钢材的韧性是极其有利的。WELDOX960高强钢中S含量一般控制在0004以下。2加入少量的B元素在WELDOX960高强钢的设计中，向钢中添加CR、NI、B等少量合金元素，可以提高钢的强度、改善钢的焊接性和耐磨等力学性能。研究发现5，当钢中含有微量的B元素时，可以大大地提高钢材的硬度，从而达到降低钢中C和合金元素含量的目的，同时通过适当增加B的含量还可以大大改善钢材的焊接性。3加入可以提高淬透性的元素对调质钢而言，合金化的主要目的是提高钢的淬透性，WELDOX960高强钢中加入了可以提高淬透性的元素MN、CR、MO、B、SI、NI，淬火后得到低碳马氏体，使钢材具有良好的机械性能。4加入防止第二回火脆性的元素调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有MN、CR、B、NI元素时，会增大其对回火脆性的敏感性。回火后快速冷却，加入抑制回火脆性的元素MO可以保证使WELDOX960高强钢具有优异的综合性能。222WELDOX960高强钢的机械性能WELDOX960高强钢调质后的机械性能见表22，238。表22WELDOX960高强钢的机械性能TAB22MECHANICALPROPERTIESOFWELDOX960屈服强度SN/MM2抗拉强度BN/MM2最高硬度HB96010509801150325延伸率V型缺口冲击韧性AKVJA5MINA50MIN020401215353027备注A5表示拉力棒的尺寸是L05D0,A50表示拉力棒的尺寸是L050D0。表23WELDOX960高强钢的弯曲性能TAB23BENDINGPROPERTIESOFWELDOX960R/TW/TR/TW/T308540100备注R为压辊上模半径，W为下模开口宽度，T为钢板厚度，表示沿垂直于轧制方向进行弯曲，表示沿平行于轧制方向进行弯曲。23WELDOX960高强钢的强化机理WELDOX960高强钢主要通过细化晶粒、加工硬化和合金强化三种途径提高其强度的。231晶界强化晶界强化主要是通过细化晶粒来实现的。在常规的钢材强化途径中，只有细晶强化可以使金属的强度和韧性同时提高。细化晶粒可以增加晶界，晶界的主要作用是阻塞位错运动，晶粒越细，晶界越多，阻塞位错滑移的作用就越大，结果可以使金属材料的屈服强度升高。细化晶粒不仅可以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性。关于金属的屈服强度与晶粒直径D之间的定量关系可以用HALLPETCH公式9来描述DSKI/821（22）式中S为晶界上“坎”的密度，K为与位错分布有关的试验待定常数。从公式中不难发现材料的屈服强度和晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越细，材料的屈服强度就越高，晶粒的大小对材料的力学性能有重要的影响。实践证明当晶粒的尺寸小于5M时，不仅强度显著提高，韧性也有很大改善。因此在生产中要对材料的晶粒度提出要求，通过技术条件和热处理规范控制材料的晶粒度。在WELDOX960高强钢的生产中主要采用提高冷却速度和控制变形程度达到细化晶粒的目的。晶界阻碍变形的能力并不是由于晶界具有很高的强度，主要是由于晶界两边的晶粒取向不同，滑移一般难以从一个晶粒直接传播到取向不同的另一个晶粒。另外晶界的变形必须满足连续性条件，即一个晶粒的形状变化必须有临近晶粒的协同动作，以保持晶粒之间微观结构上的连续性，因而这就需要更高的外加应力来开动某个滑移系，宏观上体现为材料的强度增加。232应变强化应变强化又叫做加工强化或加工硬化，是指通过塑性变形（轧制、挤压、锻造、拉伸等）使合金获得高强度的方法10。塑性变形时增加位错密度是钢材加工硬化的本质。加工硬化的原因主要是在变形过程中随着位错密度的增加，位错在运动中相互缠结、相互交割，形成固定割阶，从而阻碍了位错的运动，引起变形抗力的增加，使金属塑性变形困难，从而提高了金属的强度。据统汁，金属强烈变形后，位错密度可由106根/CM2增至1012根/CM2以上7。随着合金中位错密度增大，继续变形时位错在滑移过程中相互交割的机会增多，相互间的阻力也增大，因而变形抗力就越大，合金达到强化。233固溶强化溶质原子溶入基体金属中总是提高其变形抗力，这种作用称为固溶强化。所有可溶性合金化组元甚至杂质都能产生固溶强化。然而，单是这一种方法不能获得特别高的强度，不过它带来的塑性损失要比其他方法小。固溶强化来源于溶质原子对位错的钉扎作用和增加位错运动的摩擦阻力，这种作用包括位错与溶质原子间的长程交互作用和短程交互作用。固溶强化作用大小取决于溶质原子浓度、原子相对尺寸、固溶体类型和电子因素。固溶强化又分为间隙式固溶强化和置换式固溶强化。C、N等溶质原子嵌入FE晶格的八面体间隙中，使晶格产生不对称畸变造成强化效应。间隙式固溶强化对铁素体基体强化效应最大，对韧性、塑性的削弱也很显著。置换式固溶原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效能要比间隙式原子小。当溶质和溶剂原子直径相差比较小，化学性质也较类似时，置换原子的溶解度极限可以很大，但强化效应却很小。随着元素类型的不同，强化效能相应发生变化。置换式固溶强化对铁素体的强化作用小，但是却不削弱基体的塑性、韧性。234沉淀强化凡是固溶度随温度而变化的合金，当从单相区进入两相区时，就会从饱和固溶体中析出沉淀相或者形成溶质原子高集的过渡相，这个过程称为沉淀或者脱溶。如果从高温淬火得到过饱和固溶体，则在适当温度经过一定时间后也会发生沉淀过程，即时效。在沉淀过程中常常伴随着强度的提高。强度提高的程度主要取决于沉淀物质点的结构、尺寸、间距、形状及分布，同时也取决于质点与基体的错配度或共格性，以及它们之间的相对位向。235马氏体相变强化马氏体硬度极高，是钢经过淬火的产物。并不是所有的马氏体都具有高强度，只有含碳和氮的铁合金经马氏体相变后才显示出最强烈的硬化效应。马氏体的强化并不限于一种机制，它是固溶强化、时效强化、晶界强化和相变强化的综合。钢中的马氏体是碳和合金元素溶于FE中的过饱和固溶体，其中对硬度和强度起决定作用的是碳原子而不是合金原子。当碳溶于马氏体的八面体间隙中，晶格发生膨胀和畸变，在晶格中造成一个十分强烈的应力场，阻止位错运动，从而使马氏体的硬度和强度显著提高。由于碳原子容易扩散，在室温下可以通过扩散发生偏聚从马氏体中析出，所以时效强化也对强化做出贡献。24韧化机理韧性是指材料在断裂前单位体积所消耗的功，其数值等于真实应力应变曲线下的面积。韧性既取决于塑性也取决于强度。但是对于绝大多数工程合金来说，强度的提高往往伴随者塑性、韧性的降低，即塑性、韧性常具有相同的变化趋势。因此习惯上常把强度和塑性、韧性看作是两组相互制约的性能指标。WELDOX960高强钢的实际生产中一般通过净化钢材，细化晶粒，优化显微组织等手段达到提高韧性的目的。241金属材料的净化理论研究和生产实践都证明金属材料中所含的气体和非金属夹杂物对金属材料的塑性和韧性有严重的影响。比如S是绝大多数钢种的有害元素，它使钢的加工性能和使用性能变坏；N溶于金属中后容易与FE元素结合成FE4N，使焊缝金属产生时效脆化；而H元素在近缝区是造成接头氢脆、白点和气孔，产生裂纹的主要根源。因此在钢材的冶炼、轧制中要严格控制杂质元素的含量，这对于改善钢材的焊接性是至关重要的。242晶粒的细化晶粒是位错和塞积群的障碍，晶界又是晶格位错的源头和尾闾，因此晶粒大小对于金属的力学性能有重大的影响。晶界既然能阻止位错的运动，故细化晶粒能促进多滑移，使变形均匀化，从而提高金属材料的塑性。从理论上讲，晶界可以把塑性变形限制在一定的范围内，故细化晶粒能促进多滑移，使变形均匀化，从而提高金属材料的塑性。同时晶界又能阻止裂纹的扩展，故细化晶粒还能提高金属材料的韧性。目前关于细化晶粒对塑性韧性的贡献还缺少定量的解释。细晶粒不仅在室温下具有较高的塑性，而且在较低的温度下仍能保持良好的塑性。工业上常用以下方法达到细化晶粒、提高强度、塑性和韧性的目的将钢在相变点附近反复加热冷却，在液态金属中添加变质剂或孕育剂。243显微组织的优化金属材料的韧性对显微组织十分敏感。通过热处理实现显微组织的优化，可以在保持材料高强度的同时提高材料的韧性。马氏体是钢中最常见的不平衡组织，对于低碳低合金钢的马氏体，其晶体外形呈板条状，晶体内部大都是密度很高的位错线（位错密度10111012CM2）,习惯上叫做板条马氏体或位错马氏体。该种马氏体含碳量比较低，晶体接近于体心立方，因而对韧性损害较小。马氏体中的位错亚结构具有一定的可动性，可以通过位错缓和局部区域的应力集中，延缓裂纹成核；在有裂纹的情况下，也可以削减裂纹尖端的应力峰；而且马氏体晶体呈板条状，条束之间有残留奥氏体薄膜，能提高韧性。另外这类马氏体的MS点比较高，在一般的淬火条件下会发生自回火。25本章小节通过对WELDOX960高强钢的生产工艺和合金元素含量的分析，得出如下结论1WELDOX960高强钢含碳量低，合金元素含量低，主要通过细化晶粒和添加多元微量合金元素达到钢材强韧化的目的，精确控制化学成分，并严格控制钢中残留元素的含量和夹杂物的数量、形态、尺寸和分布。2WELDOX960在生产中采用连续轧制淬火工艺保证钢材在极短的时间内迅速从900降至室温，使晶粒细化，钢材的机械性能大大改善，从而可以降低钢种合金元素的含量，实现以水进行钢板的合金化。3精确控制各道工艺工序。从钢材冶炼到最后齐尺全部采用自动化控制，轧制过程在全封闭的环境下进行恒温均温操作，严格控制气氛，保证钢板的性能和质量稳定。4独特的生产工艺和轧制技术以及对合金元素的精确控制，WELDOX960钢板调质处理后组织为细小的低碳马氏体，平均晶粒尺寸为5M，强韧性好，综合性能优异，并且具有良好的焊接性能。第三章WELDOX960高强钢焊接性研究金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。金属焊接性分为工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性是指特定的材料在指定工艺条件下形成优质焊接接头的能力；使用焊接性是指形成的接头适应使用要求的程度，两者都是材料在焊接过程中力学和冶金行为发展变化的结果11。随着新的焊接方法的不断涌现，材料制造工艺的不断完善和新材料的出现，以及生产应用对结构越来越高的性能要求，金属焊接性问题不断得到解决又不断涌现，因此，金属焊接性仍是生产和研究中极为重要的课题之一。钢材的焊接性主要取决于它的化学成分。随钢材强度级别的提高其焊接性变差。焊接性变差一般表现在两个方面一是焊接过程中焊缝熔敷金属的各种冶金缺陷；二是焊接过程中材料性能的变化。31WELDOX960高强钢焊接性理论分析一般情况下，对钢材焊接性理论分析并不能对材料的焊接性进行十分准确可靠的评价，但是可以作为很好的补充辅助材料，有助于在短期内迅速把握复杂的冶金因素和焊接因素在焊接中所起的作用，从而可以降低试验成本。WELDOX960高强钢属于热处理强化钢，调质处理后组织为细小的低碳马氏体，具有高强度和良好的塑韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后不需要热处理。由于焊接热循环的作用，在热影响区存在着由于峰值温度超过原回火温度而引起强度和硬度下降的“软化区”，所以该钢种在一定程度上存在过热区脆化及软化区强度下降的问题。311碳当量法碳当量法CALCULATIONOFCARBONEQUIVALENTS是把钢中包括碳在内的合金元素对淬硬、冷裂和脆化的影响折合成碳的相当含量，用以进行焊接性分析的间接试验方法。碳当量越高，则材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。试验用WELDOX960高强钢的化学成分及机械性能见表31。表31WELDOX960高强钢的化学成分（WT）TAB31CHEMICALCOMPOSITIONOFWELDOX960（WT）元素CSIMNSPCR含量（WT）017019121000100080016元素MOCUTIBNIV含量WT062002000080042屈服强度/MPA抗拉强度/MPA伸长率5断面收缩率A5960985130330根据WELDOX960高强钢的化学成分分别对其碳当量CEQ和冷裂敏感指数PCM进行计算，结果如下7CEQC050516VMOCRNIUMN（31）0281560230ONICRUNSICPCM（32）由上式计算结果可知，WELDOX960高强钢碳当量CEQ050，冷裂敏感指数PCM028，该钢冷裂敏感性小，在适当的预热温度下冷裂倾向小。另外对WELDOX960高强钢的再热裂纹敏感系数PSR和焊后产生热裂纹的临界值HCS进行计算，结果如下7046210752VNBTIMOCURPSR（33）0678（3103/25/VOCRMNNISIPHS34）MN/S比值大对防止热裂十分有利，焊接中当MN/S比大于25时，一般认为焊接中不会产生热裂纹10。经计算,WELDOX960高强钢的MN/S比为121025，热裂纹敏感系数HCS06784，此外,WELDOX960高强钢的再热裂纹敏感指数PSR0460。综合以上计算可以认为该钢产生焊接热裂纹的可能性非常小。由上述分析可知，WELDOX960高强钢的淬硬倾向很小，冷裂敏感性低，几乎不会产生热裂纹。312预热温度TP的计算预热是焊前对试件的全部或局部进行加热的工艺措施，主要作用是降低接头热影响区的温度梯度，使其在比较宽的范围内获得相对均匀的分布，从而减少温度应力的峰值；同时通过预热能够控制焊接接头的冷却速度，延长奥氏体冷却转变温度范围内的冷却时间T8/5，避免或减少产生淬硬组织的倾向，还有利于加速焊缝中氢的扩散逸出，防止冷裂纹的产生。TP并非越高越好，选择过高时，一方面恶化了工作条件，另一方面在局部预热的情况下会产生附加应力，反而加大冷裂纹倾向。因此预热温度应根据钢材和和焊接材料的成分、焊件厚度、结构刚度、焊接方法和环境温度等通过焊接性试验来确定。根据EN1011211推荐公式,HDQTCETFP（35）式中CET为焊接线能量，T为板厚，Q为热输入，HD为焊缝扩散氢含量。考虑到WELDOX960钢材本身的特性，SSABOXELOSUND在式（35）的的基础上进行修正，提出修正因子FOX11，即（,HDQTOXFCETP36）根据公式36，计算出板厚为12MM的WELDOX960高强钢焊前最低预热温度为5075。313热影响区最高硬度HVMAX与T8/5的关系钢材的焊接性与其淬硬倾向密切相关，淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。钢材的淬硬倾向主要取决于钢材的化学成分，焊接工艺和冷却条件。为了判别钢材淬硬的程度，常以其硬度值为指标，在焊接中一般采用热影响区最高硬度值（HVMAX）作为评定高强钢焊接性的技术参数。热影响区最高硬度可以由下式11进行估算XYZYZHV59402685420MAX（37）其中XARCTANFT8/5,CEQ；YTAN265CEQ0690；ZWC103WC2；T8/5接头从800冷却到500所需要的时间WC钢材中碳的质量百分数从式（37）可知T8/5对于焊接接头的性能至关重要，当材料种类、板厚板厚、接头形式和焊接工艺参数给定，T8/5可由公式38、3911求得二维热流222P5/8801501T430FTQTTPP（38）三维热流3P5/88015T670FTTPP（39）其中F2、F3为形状因子。热输入VUIE106（310）式中U电弧电压，I焊接电流，V焊接速度。关于WELDOX960高强钢焊接中T8/5对热影响区硬度的影响如图31所示，随着冷却时间的延长，HVMAX硬度逐渐下降。1002003004005000102030405060T8/5SHAZHV图31焊接热影响区的最高硬度与T8/5的关系FIG31RELATIONSHIPBETWEENPEAKHARDNESSOFHAZANDT8/5314焊接工艺参数曲线综合上述分析可知，在母材化学成分、板厚、焊接方法、接头形式一定的情况下可以估算工艺参数的范围。在本试验中，初步拟定焊接方法采用ARCO2混合气体保护焊，接头形式分别采用对接和塔接，不同接头形式的焊接工艺参数曲线如图32（A）和（B）所示。0123050100150200250A对接接头焊接工艺参数AWELDINGPARAMETEROFBUTTJOINTOFWELDOX960HEATINPUTKJ/MMTP/INTERPASSABAAADBCBCCDBDT8/5MINT8/5MAXTPCETTPCEOXINTERPASSHEATINPUTKJ/MMTP/INTERPASSABAAADBCCCCDBD8/5MIN8/5MAXTPCETTPCEOXINTERPASS012345050100150200250B搭接接头焊接工艺参数BWELDINGPARAMETERSOFLAPJOINTOFWELDOX960备注焊缝金属含氢量3ML/100G，T8/5的取值范围515S图32WELDOX960高强钢焊接工艺参数分布曲线FIG32WELDINGPARAMETERSTOLERANCEBOXOFWELDOX960图32中T8/5MIN和T8/5MAX分别代表焊缝从800冷却到500的最短时间和最长时间，TPCET是根据式（35）计算出的预热温度，TPCEO根据式（36）计算出预热温度，INTERPASS代表层间温度。焊接规范选择区域，A未熔透区，B裂纹区，CHAZ脆化和软化区，DHAZ软化区。比较图32（A）和（B）可以看出，由于接头形式不同，搭接接头拘束度大于对接接头，相应要求热输入较大，接头冷却速度较慢，因此（B）图中TP曲线向右平移，T8/5MIN和T8/5MAX曲线稍向上移动。从图33也可以看出，搭接接头热输入的变化对T8/5影响要大的多。01020304005115225HEATINPUTKJ/MMT8/5SBUTTJOINTLAPJOINT图33不同接头形式热输入对T8/5的原影响FIG33EFFECTOFCETONT8/5OFDIFFERENTJOINTS综合以上分析，确定WELDOX960高强钢的焊接试验工艺参数如下焊接电流220240/A；电弧电压2628/V；冷却方式焊后75保温3小时或者直接空冷；焊后不需要热处理。其它工艺参数见表32。表32WELDOX960高强钢理论焊接工艺参数TAB32THEORETICALPARAMETERSOFWELDOX960接头形式预热温度/热输入/（KJ/MM）层间温度/对接接头50150091380105搭接接头601501222580200315焊接材料的选择母材WELDOX960属于低合金高强钢，板厚为12MM，其成分及性能见表31。焊接低合金高强钢时，焊材的选择不是要求具有与母材同样的强度，而是应